SYSTÉMOVÁ ANALÝZA A POSOUZENÍ POTENCIÁLU VYUŽITÍ ODPADU APATITO-NEFELINOVÉ RUDY Z TĚŽBNÍCH A ZPRACOVANÝCH ZÁVODŮ – Moderní vědecky náročné technologie (vědecký časopis)

Předmětem výzkumu je recyklace ekologicky nebezpečného průmyslového odpadu. Článek prezentuje výsledky systémové analýzy problematiky recyklace odpadů apatito-nefelinových rud uložených na odvalech (odkalinách) těžebních a úpravárenských provozů za účelem posouzení potenciálu jejich využití v integrovaných energeticky účinných a ekologicky šetrných zpracovatelských systémech, včetně pásových pražících strojů a rudných tepelných pecí. Ukazuje se negativní vliv odpadů apatito-nefelinových rud na životní prostředí, který se projevuje nejen zasypáváním velkých ploch přilehlých k těžebním a zpracovatelským závodům, ale také chemickým znečištěním půdy, podzemních vod a ovzduší zvětráváním a tvorbou jemného prachu. Je prezentován přístup k vyhodnocovací analýze fyzikálně-chemických, granulometrických, litologických a tepelných charakteristik odpadů apatito-nefelinových rud. Je poznamenána účelnost jejich sekundárního využití ve vícestupňovém energeticky úsporném chemicko-energeticko-technologickém procesu průmyslové výroby fosforu. V notaci IDEF0 byl sestaven funkční model odrážející rozklad procesu recyklace umělých odpadů z těžebních a zpracovatelských závodů. V systému MatLAB byl vyvinut program a prezentováno jeho rozhraní pro systém podpory rozhodování zahrnutý ve funkčním modelu. Algoritmická podpora programu využívá metodu výběru nedominovaných alternativ na základě fuzzy preferenčního vztahu.

systémová analýza
zpracování průmyslového odpadu
bezpečnost životního prostředí
produkce fosforu

1. Arkhipov A.V. Umělá ložiska. Vývoj a formování / Pod vědeckým. vyd. akad. N.N. Melnikovová. Apatity: KSC RAS, 2017. 175 s.

2. Karnachev I.P., Golovin K.A., Panarin V.M. Škodlivé výrobní faktory v technologii těžby a zpracování apatito-nefelinových rud Kola Arctic // Bulletin of the Tula State University. Přírodní vědy. 2012. Vydání. 1. Část 2. S. 95–100.

3. Mekki A., Awali A., Aloui F. a kol. Prostředí důlních vod. 2017. č. 36. 502 s. DOI: 10.1007/s10230-016-0424-2.

4. Mekki A., Sayadi S. Voda Vzduch Soil Pollut. 2017. č. 228. 215 s. DOI: 10.1007/s11270-017-3399-0.

5. Gershenkop A.Sh., Khokhulya M.S., Mukhina T.N. Zpracování umělých surovin z poloostrova Kola. [Elektronický zdroj]. URL: https://cyberleninka.ru/article/v/pererabotka-tehnogennogo-syrya-kolskogo-poluostrova (datum přístupu: 20.05.2019).

6. Ivanova V.A., Mitrofanov G.V. Vlastnosti flotace apatitu ze skladovaného odpadu z obohacování apatito-nefelinových rud // Těžební informace a analytický bulletin (vědecký a technický časopis). 2012. č. 5. S. 135–141.

7. Krasheninnikov O.N., Belogurova T.P. Perspektivy využití nerostné suroviny poloostrova Kola pro výrobu stavebního drceného kamene a písku // Problémy racionálního využívání přírodních a umělých surovin Barentsova regionu v technologii stavebně technických materiálů: Syktyvkar, 2007. S. 56–58.

8. Panchenko SV, Meshalkin VP, Dli MI, Borisov VV Počítačově-vizuální model termofyzikálních procesů v elektrotermálním reaktoru. Tsvetnye Metally. 2015. č. 4. R. 55–60.

9. Bobkov VI, Fedulov AS, Dli MI, Meshalkin VP, Morgunova EV Vědecký základ pro efektivní využívání energetických zdrojů a ekologicky bezpečné zpracování výrobního odpadu z úpraven rudy a zpracovatelských podniků obsahujících fosfor. Čisté technologie a politika životního prostředí. 2018. č. 20 (10). R. 2209–2221.

10. Moradi M., Basiri S., Kananian A., Kabiri K. Kashani. Mapování minerálního potenciálu fuzzy logiky pro průzkum mědi pomocí multidisciplinárních geodatasetů, případová studie v ložisku seridunu, Iran/Earth Science Informatics, březen 2015. V. 8. R. 197–205. DOI: 10.1007/s12145-015-0246-y.

11. Andreychikov A.V., Andreychikova O.N. Analýza, syntéza, plánování rozhodování v ekonomii. M.: Finance a statistika, 2004. 203 s.

Minimalizace škod na životním prostředí průmyslovými aktivitami v moderním světě vystupuje do popředí při zvažování možnosti realizace inovativních projektů v konkrétním regionu. V Rusku se environmentálním otázkám začalo přidělovat jedno z předních míst, o čemž svědčí projekt Ekologie přijatý a schválený v lednu 2019 Prezidiem Rady pod vedením prezidenta Ruské federace pro strategický rozvoj a národní projekty. Projekt, který zahrnuje jedenáct oblastí činnosti a monitorování životního prostředí, zdůrazňuje zejména význam recyklace odpadu z výroby a spotřeby.

Důlní a průmyslové podniky jsou významnými zdroji průmyslového odpadu. Například jen v Murmanské oblasti byl ještě v roce 2015 objem minerálního odpadu přibližně 8,8 miliardy tun [1]. Jejich negativní dopad na ekologii regionu se projevuje v několika směrech: zasypávání významných ploch sousedících s rostlinou; vznik jemného prachu obsahujícího škodlivé nečistoty při zvětrávání, což vede k nárůstu bronchopulmonálních onemocnění [2]; kontaminace půdy a vody toxickými sloučeninami obsaženými v odpadech vznikajících při zpracování rudy [3, 4]. S ohledem na závažnost tohoto problému pro Murmanskou oblast schválila místní správa v roce 2013 Seznam objektů nahromaděných ekologických škod (s uvedením místa a oblasti) a od roku 2014 je realizován program eliminace nahromaděných ekologických škod.

Situace s odpady z těžebních podniků je nepřijatelná nejen z hlediska složky životního prostředí, ale i z hlediska efektivního využití minerálních surovin obsahujících fosfor, kterými je apatit, přítomných na výsypkách. Proto je naléhavým úkolem vypracování společné strategie pro nakládání s odpady, zavedení energeticky efektivního sekundárního zpracování odpadů z těžebních podniků pro obohacování apatito-nefelinových rud, jehož řešením se nejen sníží dopady na životní prostředí, ale získá se i ekonomický přínos z použití vícestupňového energeticky úsporného chemicko-energeticky-technologického procesu pro průmyslovou výrobu fosforu.

terč výzkum: hodnocení objemů odpadů apatito-nefelinových rud uložených na odvalech (odkalištích) těžebních a úpravárenských provozů, jakož i hodnocení potenciálu jejich využití v systémech integrovaného energeticky efektivního a ekologicky bezpečného zpracování v průmyslové výrobě fosforu. K dosažení tohoto cíle je nutné:

– posoudit objem a chemické složení odpadů apatito-nefelinových rud uložených na skládkách ruských těžařských a zpracovatelských závodů;

– v souladu s principy systémové analýzy provést rozklad úlohy recyklace odpadu na základě metod funkčního modelování podle standardu IDEF0;

– navrhnout metody pro posouzení proveditelnosti prováděcích opatření pro druhotné využití odpadu z apatit-nefelinových rud v průmyslových procesech výroby fosforu;

– provádět modelové výpočty pro ilustraci účinnosti navržených metod v systémech komplexního energeticky efektivního a ekologicky bezpečného zpracování odpadu apatit-nefelinových rud při průmyslové výrobě fosforu.

Materiály a metody výzkumu

Ložiska apatit-nefelinových rud byla nyní objevena na Uralu, Krasnojarském kraji, Kemerovské oblasti, Kuzněck Ala-Tau a na poloostrově Kola (největší z hlediska objemu). Tyto těžební regiony se potýkají s podobnými environmentálními problémy, z nichž jedním je přítomnost velkých objemů odpadu z těžebních a zpracovatelských závodů, odhadovaných na miliardy tun [1, 5]. Podíváme-li se na tento problém z jiného úhlu, lze odpad považovat za vícesložková umělá ložiska (MD) obsahující druhotné nerostné zdroje, které by měly být zapojeny do druhotného zpracování. Například, pokud jde o jejich minerální a chemické složení, hlušina JSC Apatit jsou ložiska nefelinu, sfénu, titanomagnetitu a apatitu. Koncentrace oxidu fosforečného P2O5 v odpadních haldách OJSC Apatit se pohybuje v rozmezí 0,3–0,5 %; výroba kvalitního apatitového koncentrátu (39 % P2O5) je prováděna pomocí flotace [6], což je již úroveň, která umožňuje organizovat ekologicky bezpečný vícestupňový proces pro výrobu fosforo-termických pražicích pecí a zařízení pro výrobu fosforu a fosforu.

Integrovaný rozvoj zdrojů podloží s cílem efektivního sekundárního využití skladovacích zařízení hlušiny by měl být založen na systematickém přístupu. Zohledňuje nejen objemové a fyzikální a chemické složení odpadu, ale také granulometrické (relativní obsah částic různých velikostí bez ohledu na jejich chemické nebo mineralogické složení), litologické (vzorce rozložení vrstev na výsypkách) a termofyzikální charakteristiky odpadu z apatito-nefelinových rud [7]. Je třeba poznamenat, že při řešení problému zpracování umělých odpadů je třeba vzít v úvahu nedokonalost regulačního rámce v této věci, protože zde je regulace prováděna na základě dvou zákonů – „O podloží“ a „O odpadech z výroby a spotřeby“, pod dohledem různých právních odvětví.

Metody výzkumu v předložené práci jsou založeny na systémové analýze problému využití TM apatit-nefelinových rud pro průmyslovou výrobu fosforu. Obecný problém je v počáteční fázi analýzy dekomponován na jednotlivé součásti dílčího úkolu s cílem hlouběji porozumět výčtu potřebných postupů a specifikům jejich implementace.

V předložené studii byl proveden rozklad obecného problému posouzení potenciálu využití odpadů apatito-nefelinových rud z těžebních a úpravárenských provozů na základě standardu IDEF0, který poskytuje notaci pro funkční modelování procesů. První úroveň dekompozice kontextového diagramu funkčního modelu uvažovaného potenciálního posuzovacího problému je na Obr. 1.

Rýže. 1. Dekompozice problému posuzování potenciálu využití umělých odpadů

Na Obr. 1 rozdělení složitého úkolu na samostatné prvky umožňuje na jedné straně v počáteční fázi výzkumu určit klíčové prvky, které vyžadují zvážení a analýzu, a na druhé straně implementovat paralelizaci práce a dosáhnout zkrácení času stráveného na řešení. Dekompozice hodnocení potenciálu využití umělých odpadů nám umožňuje vidět soubor funkcí (procesů), které je potřeba realizovat při formování konečného rozhodnutí při volbě směru sekundárního využití TM.

Různorodost úloh vede k nutnosti uplatňovat multidisciplinární přístup, který se v předloženém schématu projevuje v podobě matematických modelů zařazených do horních částí funkčních bloků, což ve standardu IDEF0 implikuje řízení studovaného procesu. S ohledem na různorodost analytických úloh odrážejících se na první úrovni dekompozice obecného problému využití těžebních a zpracovatelských rostlinných odpadů (obr. 1) budou modely také reprezentovat různé oblasti znalostí. Konkrétní typ určených modelů může být v závislosti na druhu odpadu a jeho zamýšleném dalším využití a také surovinách, které se z něj budou těžit, značně široký. Dále s ohledem na hlušinu apatito-nefelinových rud lze za možnou variantu jejich zpracování považovat výrobu fosforu z jeho oxidu.

Dnes existuje rozsáhlá databáze modelů věnovaná teoretickým i praktickým aspektům výroby fosforu z odpadu apatito-nefelinových rud a také optimalizaci energetické náročnosti tohoto procesu [8, 9].

Je třeba poznamenat, že vstupní (výchozí) data funkčního modelu na Obr. 1 mohou obsahovat nejen informace z pasportů odpadů těžařských a zpracovatelských podniků, ale i specializované databáze, jako je například databanka umělých ložisek (BDTM), zpracovaná Hornickým ústavem Kola pobočky Akademie věd.

Banka obsahuje data rozložená do více než dvaceti sekcí: možné oblasti využití odpadu, jeho minerální a granulometrické složení, objem zásob, fyzikální a mechanické vlastnosti umělých surovin, jejich chemické složení, environmentální vlastnosti a další [1]. Takto získané výchozí informace z těchto zdrojů mohou sloužit jako výchozí materiál pro další komplexní analýzu v souladu s prezentovaným modelem.

Blok pro provedení doplňkového výzkumu a analýzy funkčního modelu TM (obr. 1) předpokládá možnost zohlednění specifik využití odpadů, včetně zpracování dat prezentovaných odbornými posudky obsahujícími doplňující kvalitativní charakteristiky jak samotného odpadu, tak infrastruktury území, kde se nachází, situaci na domácím i zahraničním trhu. Tyto vlastnosti informací vedou k nutnosti používat formální matematické modely, které pracují s lingvistickými proměnnými, zejména modely založené na metodách fuzzy logiky [10].

Agregační jednotka výsledků soukromých analýz v souladu s přijatými kritérii optimality provádí posouzení potenciálu dalšího využití odpadů ve stanovených směrech. Obecně lze různé směry recyklace odpadu vyjádřit následujícími možnostmi: přímé využití bez zpracování; recyklace, ale bez sekundárního odpadu; zpracování za účelem těžby minerálních složek. První dva směry se v současné době aktivně rozvíjejí, ale potřeba takového zpracování je malá. Slibný je třetí směr, který je dán několika faktory, z nichž stojí za zmínku snížení podmínek pro těžbu rud (proto mají staré vrstvy na odvalech vyšší obsah minerálních složek), a také to, že těžba a výroba koncentrátu z odpadu je mnohem ekonomičtější než těžba a zpracování chudých rud [1].

Systém podpory rozhodování (DSS) na Obr. 1 je označen jako mechanismus, který implementuje funkci bloku, ke kterému se blíží odpovídající šipka. Při výběru algoritmu pro provoz DSS byla zohledněna dříve přijatá metodika fuzzy logiky a také skutečnost, že možnosti dalšího využití odpadu nemusí mít jednoznačnou výhodu. V souladu s tím byla použita fuzzy-logická metoda vícekriteriálního výběru nedominovaných alternativ na základě fuzzy preferenčního vztahu [11].

Výsledky výzkumu a diskuse

Modelové bloky, odrážející plnění analytických funkcí (granulometrické, litografické, doplňkové, fyzikální a chemické složení a tepelně fyzikální vlastnosti), na jejich výstupech tvoří posouzení preference výsledků získaných podle zvoleného kritéria na základě aplikace matematických modelů TM. Další zpracování probíhá v bloku agregace dílčích výsledků pomocí DSS. Navržené způsoby fungování systému podpory rozhodování pro výběr směrů zpracování odpadů TM byly implementovány v softwarovém prostředí MatLAB. Hlavní podoba grafického rozhraní DSS s výsledky modelového příkladu je na Obr. 2. Rozhraní programu odráží schopnost nejen hodnotit potenciál pro recyklaci odpadu z apatito-nefelinových rud, vyjádřený hodnotící maticí, ale také analyzovat citlivost získaných hodnocení na změny hodnot funkcí příslušnosti směrů podle kritérií v rozsahu [x – xs, x + xs], kde x je proměnná hodnota funkce příslušnosti kritéria.

Rýže. 2. Hlavní forma DSS pro hodnocení potenciálu využití umělých odpadů

Závěr

Během studie se ukázalo, že objemy uměle vytvořeného odpadu z apatito-nefelinových rud v ruských těžebních a zpracovatelských závodech v současnosti přesahují několik miliard tun a problém jejich recyklace je naléhavější než kdy jindy. Rozložení úkolu posouzení potenciálu pro recyklaci odpadů v rámci systémové analýzy umožnilo identifikovat hlavní funkce, které je třeba zajistit.

Je uveden popis rozhraní vyvíjeného softwaru pro systém podpory rozhodování pro hodnocení potenciálu využití umělých odpadů z apatito-nefelinových rud. Algoritmickým základem systému je metoda vícekriteriálního výběru alternativ na základě fuzzy preferenčního vztahu.

Navržený přístup k systémové analýze problematiky zpracování odpadů z těžebního a zpracovatelského průmyslu a vyvíjený software lze aplikovat pro posouzení potenciálu a směrů využití umělých ložisek různých struktur a složení nerostů zainteresovanými organizacemi a vědeckými institucemi.

Studie byla provedena za finanční podpory Ruské nadace pro základní výzkum v rámci vědeckého projektu č. 18-29-24094.